配电网下基于驱动复用拓扑的车载储能系统研究*

周 毅, 岳云力, 岳 昊, 丁健民, 李顺昕, 辛迪熙

[1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院, 北京 100038;2.储能技术工程研究中心(北方工业大学), 北京 100144]

0 引 言

电动汽车由于其优越的行驶性能,低能耗和环保特性成为我国的重要战略发展方向[1-3]。电动汽车充电技术作为电动汽车关键技术被广泛研究。通常电动汽车的充电等级依据工况划分为3个级别,分别是快速充电级别;常规充电级别和便捷充电级别[4]。三者的充电工况和应用场景相异互为补充,一辆电动汽车可以同时具备多种充电级别的充电形式。其中快速充电级别的相关研究主要以直流充电系统为重要形式,利用直流器件的高耐压和高耐流特性达到提高充电功率的目的;常规充电级别是现在最为普遍的充电级别,充电桩和以此为基础组成的充电站是其主要应用形式。便捷充电级别指不需要充电桩,直接使用市电的充电形式,由于不需要车外的基础设施的支持,所以该充电方式所需的设备全部车载,这类充电设备被统称为车载储能系统。

由于电动汽车的车载设备有小型化和轻量化的需求,常规充电系统拓扑需要经过改造才可以实现车载。驱动复用型车载储能系统基于电动汽车驱动拓扑的能量回馈能力,利用驱动电机代替交流电感,驱动电路代替整流桥的方式对车载电池进行充电,达到减小充电设备体积占用的目的。该类车载储能系统利用了在电动汽车充电过程中闲置的驱动系统硬件,提高了电动汽车整体器件应用效率,降低了电动汽车的应用成本。本文对驱动复用型车载储能系统的拓扑进行系统性的分类,并从改造的难易程度,充电时纹波和非对称电流转矩方面对拓扑进行比较。

1 驱动复用型车载储能系统的复用方法

电动汽车通常采用三相逆变电路作为电能变换的方式驱动永磁同步电机为车辆提供动力。由于电机调速控制和再生制动的能力需求,驱动电路采用全控器件且能量可以双向流过变流器。充电机通常采用三相或单相整流电路,其开关网络结构与电动汽车驱动存在相似性。这种拓扑结构的相似性,使得通过改造驱动电路达到给电动汽车车载储能系统充电在技术上存在可行性。

由于电动汽车驱动拓扑与充电拓扑存在差异,在利用驱动系统充电时,需要将拓扑进行一定的转化。依据变化的手段可以划分为特殊电机复用法、电力电子器件复用法和多电机复合利用法。

1.1 特殊电机复用法

电动汽车驱动拓扑与充电拓扑的不同主要是电机的复杂结构难以直接转换为交流电感。特殊设计的电机通过改变自身的结构提供额外的绕组接线端子,提供了结构变化的自由度,使得拓扑可以在不同的模式下切换。被研究的利用于驱动复用型车载储能系统的特殊电机主要是两种,分别是开中性点电机和开绕组电机。

文献[5-6]提出了一种基于开中性点电机的车载储能系统。该充电机拓扑通过电机的中性点和辅助桥臂将电网接入。在充电时该拓扑呈现三重化电路的特性并具有3种控制模式:单相工作模式、三相同步工作模式和三重交错工作模式。其中,在单相工作模式下,驱动电路的三相的其中之一启用和辅助桥臂组成单相整流桥,该模式的模式状态较少,控制方法容易。但显而易见的是电机的电感并没有得到充分的利用;三相同步模式是将驱动电路的三相同时并联启用,通过相同相位的控制信号进行控制与辅助电路组成单相整流桥,该控制模式可以充分地利用电机的电感,并且显著降低交流侧的电流应力,但开关管同步导通有发生短路的风险,且电机绕组电感在该模式下成并联结构,减低了交流侧等效电感量;三重交错工作模式是在三相同步模式的基础上将三相的同步信号改成相错120°的控制信号,在保留三相同步模式结构的情况下,交错控制获得了额外的纹波抑制能力。因此该类车载储能系统多采用三重交错的充电模式。基于开中性点电机的复用拓扑如图1所示。

图1 基于开中性点电机的复用拓扑

另一种基于开中性点电机的车载储能系统,基于开中性点电机的改进型复用拓扑的如图2所示。该结构省略了辅助桥臂,直接将电网接入电机的中性点和直流侧负极母线。该拓扑属于半桥整流电路,仅能做半波整流脉冲充电。脉冲充电可以有效地利用电池容量,并延长电池的使用寿命。但该拓扑的脉冲频率与电网频率存在密切关系,无法与电池的工况相匹配,这限制了该拓扑的应用范围。

图2 基于开中性点电机的改进型复用拓扑

文献[7]中是一种常被复用为充电机的特殊电机,即开绕组电机。采用开绕组电机的车载系统显著优点是复用可以进行三相充电,具有更高的充电功率。该拓扑将三相绕组的一端与电网相连,另一端与整流桥相连,使得拓扑具有三相整流桥的结构,可以在此基础上进行三相整流的各项操作。但该拓扑与开绕组电机的驱动拓扑相差较大,需要配置额外的共直流母线变流器,且该变流器在充电过程闲置;该拓扑也可通过将交流侧绕组接头组合为中性点方式转化为常规拓扑。无论该拓扑以何种方式在驱动和充电两种功能间进行转化,都需要复杂的机械结构进行辅助。基于开绕组电机的复用拓扑如图3所示。

图3 基于开绕组电机的复用拓扑

以上的分析不难发现,通过特殊设计电机可以有效地实现拓扑的功能转化,器件复用程度高,且充电拓扑为常见构型,控制方法较为成熟。但使用特殊设计电机存在成本高昂,结构复杂的问题,引入的额外绕组端子需要进行绝缘等辅助设施因而增大了系统体积。此外,特殊设计电机在电动汽车中并没有普及应用,基于现有的电动汽车系统,通过特殊设计电机法改造得到驱动复用型车载储能系统存在着技术和成本的障碍。

1.2 电力电子器件复用法

随着电动汽车的发展和电力电子技术日益成熟,通过增加电力电子器件达到复用驱动电机方式的成本要低于使用特殊设计电机方式的成本。车载电力电子器件已经实现了板载,改造其机构并不会增加系统的体积。该方案对驱动系统的改变较小,可以在已有的电动汽车系统基础上直接改造而成。

文献[8]提出了一种通过二极管附加不控整流桥的方案。该方案将电网通过不控整流桥接入拓扑,不控整流桥的负极母线与驱动拓扑的负极母线相连,正极母线与电机三相中的其中之一接入驱动拓扑,此时该拓扑是功率因数校正电路的结构。拓扑存在两重化结构,可以采用两重交错控制方法,但电机的结构增加了控制的复杂性,采用单相控制方法可以简化控制。该方案具有高功率因数校正特性且不会产生谐波污染电网。但该拓扑无法实现能量的双向流动,不符合电动汽车的需要参与电网调度的发展趋势。虽然将不控整流桥替换为电流型整流桥可以实现能量的双向流动,但电流型整流桥所需器件过多成本较大。附加不控整流桥的复用拓扑如图4所示。

图4 附加不控整流桥的复用拓扑

文献[9]提供了一种无桥的改进方案,采用无桥结构的复用拓扑如图5所示。该拓扑利用附加的辅助电路将将电网接入,由于该方案只包含全控器件,能量可以通过变流器在电池和电网之间进行双向流动。但该方案的拓扑结构较为复杂,需要通过相应的控制策略减小谐波对电网的影响。

图5 采用无桥结构的复用拓扑

经过以上分析不难发现,利用电力电子器件复用电机进行充电容易实施,但复用后的拓扑结构与典型拓扑相差较大需要复杂的控制方法。此外,使用电力电子器件转化法驱动复用型车载储能系统在驱动或充电过程中有器件被闲置的情况,器件没有充分利用,降低了电动汽车整体功率密度。

1.3 多电机复合利用法

电动汽车驱动系统有多种结构,部分结构中包含多个电机[10]。其中串联式混合动力电动汽车使用两套共直流母线的驱动变流器,而使用轮毂电机的电动汽车在每个轮胎上都配置有独立的驱动系统。这些多电机的拓扑结构在复用驱动系统时提供了更多的操作空间。

适用于串联混合型电动汽车的复用拓扑如图6所示。该拓扑为基于串联式混合动力电动汽车驱动系统的充电机[11],将电网通过驱动电机和车载燃油发电机的中性点接入系统,两套电机系统为共直流母线结构。由于该拓扑电网正负两端都有电机充当滤波电感,且具有较多的变流器控制自由度,所以该充电机拓扑具有畸变程度较低的交流侧电流波形,有利于电动汽车参与电网的能量调度。

图6 适用于串联混合型电动汽车的复用拓扑

使用轮毂电机的电动汽车有4台电机可以参与配置[12]。基于四驱轮毂电机的复用拓扑如图7所示。该拓扑通过4台电机的2台接入变流电网,剩余的变流器则被用作为直流侧的电池能量管理系统。该拓扑充分发挥了轮毂电机驱动电动汽车的特点,达到组成包含多级能量管理功能的车载储能系统的目的。

图7 基于四驱轮毂电机的复用拓扑

2 驱动复用型车载储能系统的基波转矩分析

由上述复用驱动型车载储能系统的方法介绍可以得到,该类拓扑的复杂程度主要是由电机的复杂结构决定的。在充电过程中,流过电机的电流为非对称电流,电机会产生相应的转矩。在该类拓扑应用的过程中,应将电机预先从动力系统中切除,并闭锁汽车的传动机构。

若以电网向电池的能量流动方向为正方向,则可将拓扑类型以不对称电流流过电机的方式划分为如下几种:同相流入同相流出、单端流入单端流出、单端流入两端流出、单端流入三端流出和三端流入三端流出。

其中,同相流入同相流出型拓扑主要由开中性点电机的单相控制模式得到,也可以通过开绕组电机接入单相电路得到。以拓扑使用了a相电感La为例,同相流入同相流出型拓扑如图8所示。

图8 同相流入同相流出型拓扑

流经电机的非对称电流为

(1)

式中:iLa、iLb、iLc——电机的三相电流;

Im——交流侧电流的幅值;

ω——交流侧频率,通常取值50 Hz;

θ——功率因数角。

对于非对称电流产生的基波可以用对称分量法简化分析。同相流入同相流出型非对称电流分析如图9所示。

图9 同相流入同相流出型非对称电流分析

电流产生的基波转矩为

(2)

式中:fs——磁动势矢量;

Fs——单位磁动矢量模值;

Ns——定子电感匝数;

kwsl——磁动势感应系数。

将流经电机的各相电流以此带入式(2)可以得到各相产生的转矩为

(3)

将正负零序电流产生的转矩进行合成,即可得到非对称电流产生的总矢量。由于同相流入同相流出型的拓扑实际上是能量从中性点流入,所以中性点电流成为了主要的转矩分量。

(4)

单端流入单端流出型可以由电力电子器件转化法并采用单相控制得到。以拓扑使用a相和b相两相电感,c相电感被闲置情况为例,单端流入单端流出型拓扑如图10所示。

图10 单端流入单端流出型拓扑

非对称电流为

(5)

单端流入单端流出型非对称电流分析如图11所示。转矩主要是由a相电感电流和b相电感电流合成得到。

图11 单端流入单端流出型非对称电流分析

产生的转矩为

(6)

单端流入两端流出型可以由电力电子器件转化法并采用两相同步或交错控制得到。该型拓扑利用了全部的电感。单端流入两端流出型拓扑如图12所示。

图12 单端流入两端流出型拓扑

流经的非对称电流为

(7)

单端流入两端流出型非对称电流分析如图13所示。合成后的转矩恰巧为零,该型拓扑具有明显的转矩抑制能力。

图13 单端流入两端流出型非对称电流分析

产生的转矩为

(8)

单端流入三端流出结构由开绕组电机得到,单端流入三端流出型拓扑如图14所示。

图14 单端流入三端流出型拓扑

流经三相电感的电流被平均分成三等分,即

(9)

单端流入三端流出型非对称电流分析如图15所示。由于该拓扑的电流从中性点流入,故非对称电流中只包含了零序分量。

图15 单端流入三端流出型非对称电流分析

所产生的转矩为

(10)

三端流入三端流出为开绕组电机的三相应用,三端流入三端流出型拓扑如图16所示。

图16 三端流入三端流出型拓扑

为了与其他拓扑进行恒功率比较,所采用工况流经电机的电流为

(11)

三端流入三端流出型非对称电流分析如图17所示。其产生转矩的模式与电机驱动情况下相同。

图17 三端流入三端流出型非对称电流分析

产生的转矩为

(12)

综合以上分析发现,驱动复用型车载储能变流器在充电过程中会不同程度地由于非对称电流基波产生转矩,不同拓扑的转矩抑制能力不同。其中单端流入两端流出型拓扑具有完全的纹波抑制能力;采用中性点作为输入端子的拓扑类型,则会产生零序分量转矩;而基于开绕组电机的三相输入三相输出型拓扑则完全无法抑制转矩。

3 驱动复用型车载储能系统的纹波分析

充电机所包含的电力电子变换器在工作时会产生谐波污染电网,对于驱动复用型的车载储能系统而言,由于系统内电机的存在,所以纹波对系统稳定性的影响更大。

纹波主要由电力电子器件的参数所决定,对于已确定的系统可通过控制的方法抑制纹波。电机复用型车载储能系统控制方法有3类:单相控制法,两重交错控制法和三重交错控制法。

单相控制法是最简单的一种控制方法,消除电机的复杂程度,将电机的部分电感视作为单相电感进行充电。依据电机复用方法,所利用的电感在该控制模式下的等效电感与电机电感成一定倍数关系。一般具体分为以下几种情况:2倍电感,1倍电感,1/2倍电感和1/3倍电感等不同情况。该控制策略降低了控制的复杂性,较易设计。但该方法不能对纹波进行有效的抑制。

电机相对于变流器的结构复杂,所以驱动复用型车载储能系统的拓扑具有作为多重化变流器进行交错调制的潜力。交错调制具有明显的纹波抑制能力,其纹波抑制效果可以用归一化纹波系数表示。该系数为多重化下输出纹波幅值和单相纹波幅值的比值。该系数排除了参数的影响,可以直观地反映由交错调制给拓扑带来的纹波抑制效果。两重化整流电路的归一化纹波为

(13)

式中:γ——归一化纹波系数;

Δiin——输入电流纹波幅值;

ΔiL——电感上的纹波幅值即单独交错相的电流纹波幅值;

D——占空比。

式(13)归一化纹波系数是一个关于占空比的分段函数。占空比的取值范围为0～1,则归一化纹波系数恒小于1,表明交错调制对于输出电流纹波具有抑制能力。

三重化的归一化纹波系数为

(14)

式(14)是一个三段函数,其中高占空比段和低占空比段呈现出一阶函数特性,而中占空比段呈现二阶函数特性。整体来看三重化的纹波系数普遍低于同等条件下两重化波纹系数。

基于电力电子器件法的拓扑也可采用双重交错调制,但第三电感的存在使得其工作状态与传统两重化交错存在差异,其归一化纹波为

(15)

不同调制方式下归一化纹波系数的比较如图18所示。

图18 不同调制方式下归一化纹波系数的比较

图18中,4种不同的控制模式:传统单相控制法、传统两重交错控制法、电机两重化交错和电机三重化交错。其中传统单相控制下的归一化纹波系数恒定为1,意味着纹波完全没有抑制,当归一化纹波系数为零时,意味着纹波被完全抑制。由图18可得,交错调制的纹波抑制效果在任意工况下好于单相调制。三重化交错的纹波抑制效果普遍优于传统两重化交错的纹波抑制效果。但基于电机的两重化交错的纹波抑制能力与三重化交错大体相当,并且低占空比范围内的纹波抑制能力远好于其他控制方式。

4 驱动复用型车载储能系统的拓扑比较

通过分析可知,驱动复用型车载储能系统有多种拓扑和控制方式,作为电动汽车的组成部分,需要从可靠性、经济效益和车载体积等多方面进行比较评估。

驱动复用型车载储能系统由电动汽车的驱动系统改造得到。驱动系统的各项性能指标高于充电机的指标且驱动变流器允许能量进行双向流动,复用的成本主要来自于改装电机或附加器件的成本。为了保证系统的可靠性,改装所用的器件和设计指标应与驱动系统相同。对于使用特殊电机的拓扑而言,特殊电机的额外端子需要绝缘处理,以现有驱动系统为基础进行改造则需要考虑更换电机的成本。由于电力电子器件法不需要更换电机,仅需要增加电力电子器件,使得该方案的整体成本相对低。

车载储能系统的体积也是需要着重考虑的指标,以适应电动汽车有限的车载体积。该类系统的体积主要是由于电力电子设备和机械结构的体积组成,由于电动汽车的电力电子设备实现了板载,增减器件不会对其体积造成较大的影响。机械结构的体积是车载储能系统额外体积的主要来源。首先,考虑电动汽车安全性,在充电时电动汽车传动系统需要通过机械结构进行锁定,同时电动汽车也需要配置相应的接口端子与电网相连。以上增加的体积是各类拓扑结构所共同的,但特殊设计电机本身结构和需要的额外辅助设备的方案相对于仅增加电力电子器件的方案而言体积更大[13-15]。

驱动复用型车载储能系统拓扑的比较如表1所示。表1总结几种典型的驱动复用型车载储能系统方案,对结构复杂程度、控制复杂程度、改造成本、车载体积、复用程度、基波转矩情况和纹波情况等指标进行比较。整体来看,特殊电机法具有很高的电力电子复用程度,而电力电子法在成本和体积方面存在明显优势。

表1 驱动复用型车载储能系统拓扑的比较

5 结 语

驱动复用型车载储能系统实现了电动汽车充电系统车载,同时提升了驱动系统的使用率,间接提升了车载系统的整体功率密度。

以现有车载电子技术和电动汽车驱动技术,使用电力电子复用法并采用两相交错控制方案具有现实意义。此外,该方案还具有以下显著优点:结构简单,在驱动模式下保留了原本全部驱动系统的功能,在充电模式下充电机具有良好的基波转矩抑制效果,有利于整车的可靠性设计。基于电机的两重化交错具有良好的纹波抑制能力,在继承传统两重化交错的归一化纹波特性的前提下,获得额外的纹波抑制能力。

随着电动汽车性能要求的日益提升和各种车载智能设备技术的应用,驱动复用型车载储能系统也需要与时俱进。未来该型充电机的改进研究可以着眼于两个方面:一是提升驱动复用型车载储能系统的充电效率,这是为了适应电动汽车的续航里程而增加电池容量的必然需求;二是需要注重驱动复用型车载储能系统与其他设备的兼容性,以迎合电动汽车智能化的应用潮流。